Ein neues Designschema für RFID-Ladesysteme

1. Einleitung

Die RFID-Technologie (Radio Frequency IDentification), also die Radiofrequenz-Identifikationstechnologie, ist eine Kommunikationstechnologie, die derzeit in verschiedenen Ladesituationen weit verbreitet ist, beispielsweise in Ladesystemen für öffentliche Verkehrsmittel, Ladesystemen für Parkplätze usw. Aktuelle Systeme verwenden normalerweise RFID-Technologie Nutzen Sie RS-485 und PC für den Datenaustausch. Allerdings verwendet RS-485 einen einzelnen Masterknoten und verwendet den Polling-Modus, sodass es Probleme mit geringer Echtzeitleistung und geringer Kommunikationseffizienz gibt.

Mit dem kontinuierlichen Sprung auf dem Niveau der Informatik und den Anforderungen der industriellen Entwicklung haben industrielle Steuerungssysteme einen Wandel von Basisinstrumentensteuerungssystemen, zentralisierten digitalen Steuerungssystemen und verteilten Steuerungssystemen zu den heute weit verbreiteten Feldbus-Steuerungssystemen erlebt. Der CAN-Bus (Controller Area Net) ist ein Feldbus, der auf einem seriellen Kommunikationsnetzwerk basiert. Der CAN-Bus verwendet einen Multi-Master-Arbeitsmodus und jeder Knoten im Netzwerk kann jederzeit Informationen an andere Knoten im Netzwerk senden. Gleichzeitig nutzt der CAN-Bus eine zerstörungsfreie Arbitrierungstechnologie. Wenn zwei oder mehr Knoten gleichzeitig Daten an das Netzwerk übertragen, stoppt der Knoten mit einer niedrigeren Priorität das Senden, bis der Knoten mit einer höheren Priorität das Senden der Daten abgeschlossen hat. Das ist effektiv. um Buskonflikte zu vermeiden. Die CAN-Kommunikationsentfernung kann bis zu 10 km/5 Kbit/s und die Kommunikationsrate bis zu 1 Mbit/s erreichen. Jeder CAN-Datenrahmen verfügt über eine CRC-Prüfung oder andere Erkennungsmethoden, um die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation sicherzustellen.

Wenn in einem CAN-Knoten ein schwerwiegender Fehler auftritt, wird der Knoten automatisch heruntergefahren, sodass die normale Arbeit anderer Knoten nicht beeinträchtigt wird. Daher bietet der CAN-Bus die Vorteile einer hohen Zuverlässigkeit, einer hohen Echtzeitleistung und einer hohen Effizienz und kann den RS 485-Bus vollständig ersetzen.

Wenn man bedenkt, dass in tatsächlichen Anwendungsumgebungen das 2,4G-Funknetzwerk als Übergabestation für die Datenübertragung von RFID zum CAN-Bus verwendet wird, um einen großen Verkabelungsaufwand zu reduzieren. Die drahtlose Technologie bietet niedrige Kosten, Flexibilität, Zuverlässigkeit und kurze Installationszeit. Dieses Design verwendet nRF24L01 zum Aufbau eines drahtlosen Kommunikationsnetzwerks. Dieser Chip unterstützt Mehrpunktkommunikation und kann im Empfangsmodus Daten von 6 verschiedenen Kanälen empfangen.

Das heißt, das Empfangsende des drahtlosen Netzwerks kann Daten von sechs verschiedenen Sendeenden empfangen. Die Daten vom Sender werden über das RFID-Modul abgerufen.

Basierend auf der obigen Diskussion wird in diesem Artikel ein neues RFID-Ladesystem vorgestellt, das auf CAN-Bus und einem 2,4-G-Funknetzwerk basiert.

2 Hardware-Systemdesign

2.1 Systemtopologie und Systemzusammensetzung

2.1.1 Systemtopologie

Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden die relevanten Daten des RFID-Geräts über das drahtlose Netzwerk an den CAN-Transceiver übertragen, und dieser überträgt die Daten dann über den CAN-Bus an den PC. Der PC verwendet eine PCI-E-Erweiterungskarte mit CAN-Schnittstelle. Darüber hinaus kann der drahtlose Kommunikationschip nRF24L01 im Empfangsmodus Daten von 6 verschiedenen Kanälen empfangen und so einen CAN-Knoten zur Steuerung der Datenübertragung von bis zu 6 RFID-Endgeräten realisieren. Wenn sechs RFID-Ladeterminals den Bedarf nicht decken können, können weitere Knoten hinzugefügt werden. Alle Knoten sind am CAN-Bus montiert. Über den CAN-Bus übermittelt jeder Knoten Daten an den PC.

2.1.2 Systemzusammensetzung

Dieses System (CAN-Knoten) besteht aus zwei Subsystemen. Subsystem B besteht aus Mikrocontroller, RFID-Modul, Funkmodul, Watchdog, LCD-Bildschirm, Uhrenmodul, Tasten und EEPROM. Der Mikrocontroller (MCU) steuert das RFID-Modul zum Lesen und Beschreiben der Mifare 1-Karte, und das Funkmodul sendet die relevanten Daten an das A-Subsystem. Subsystem A besteht aus Mikrocontroller, Funkmodul, Watchdog und CAN-Modul. Die MCU sendet die über das Funkmodul empfangenen Daten über das CAN-Modul an den PC. Da ein Knoten bis zu 6 RFID-Geräteterminals steuern kann, gibt es in einem Gesamtsystem nur 1 Subsystem A, während es bis zu 6 Subsysteme B geben kann.

2.2 Mikrocontroller

Der Mikrocontroller ist STC89LE58RD+, der über vier 8-Bit-Parallel-I/O-Ports P0~P3, einen 4-Bit-Parallelport P4, 32 KB FLASHROM, 1280 Byte RAM, 3 Timer, 8 Interrupt-Quellen und 4 Interrupts mit Prioritäts-Interrupt-System verfügt. Seine Leistung entspricht voll und ganz den Designanforderungen.

2.3 CAN-Modul

Die Hardware-Implementierung des CAN-Busses nutzt Philips' SJA1000 und PCA82C250.

2.3.1 Einführung des SJA1000-Chips

SJA1000 ist ein unabhängiger CAN-Controller. Es unterstützt die PeliCAN-Moduserweiterungsfunktion (unter Verwendung des CAN2.0B-Protokolls), verfügt über 11-Bit- oder 29-Bit-Kennungen, einen 64-Byte-Empfangs-FIFO, einen Arbitrierungsmechanismus und leistungsstarke Fehlererkennungsfunktionen usw.

2.3.2 Einführung des PCA82C250-Chips

PCA82C250 ist ein CAN-Bus-Transceiver, der hauptsächlich für Kommunikationsanwendungen mittlerer bis hoher Geschwindigkeit (bis zu 1 Mbit/s) in Automobilen konzipiert ist. Es widersteht einer Vielzahl von Störungen im Arbeitsmodus und elektromagnetischen Störungen (EMI), reduziert Hochfrequenzstörungen (RFI) und verfügt über thermische Schutzfunktionen. Es können bis zu 110 Knoten angeschlossen werden.

2.3.3 Hardware-Schnittstellenanschluss

Wie in Abbildung 4 dargestellt, wird der P1-Port als gemultiplexter Adress-/Datenbus zur Verbindung mit dem AD-Port von SJA1000 verwendet, und P2.0 ist mit dem Chipauswahlabschnitt CS von SJA1000 verbunden, wodurch SJA1000 zu einem I/O-Gerät für wird Peripheriespeicherzuordnung des Mikrocontrollers. Darüber hinaus sind RX0 und TX0 von SJA1000 mit RXD und TXD von PCA82C250 verbunden.

2.4 Funkmodul

2.4.1 Einführung des nRF24L01-Chips

Der drahtlose Chip ist nRF24L01. Es handelt sich um einen drahtlosen 2,4-GHz-Hochfrequenz-Transceiver-Chip mit einer Übertragungsrate von bis zu 2 Mbit/s, der 125 optionale Betriebsfrequenzen unterstützt, über Adress- und CRC-Prüffunktionen verfügt und eine SPI-Schnittstelle bietet.

Es verfügt über einen dedizierten Interrupt-Pin, unterstützt 3 Interrupt-Quellen und kann Interrupt-Signale an die MCU senden. Es verfügt über eine automatische Antwortfunktion, zeichnet die Adresse nach Bestätigung des Datenempfangs auf und sendet ein Antwortsignal unter Verwendung dieser Adresse als Zieladresse. Unterstützt den ShockBurstTM-Modus. In diesem Modus kann nRF24L01 an eine langsame MCU angeschlossen werden. nRF24L01 kann im Empfangsmodus Daten von 6 verschiedenen Kanälen empfangen.

2.4.2 nRF24L01-Hardwareschnittstellenverbindung

Wie in Abbildung 5 dargestellt, kommuniziert der Mikrocontroller mit nRF24L01 durch Simulation des SPI-Bus-Timings. Sein externer Interrupt-Pin IRQ ist mit P3.2 (externer Interrupt 0) des Mikrocontrollers verbunden.

2,5 RFID-Modul

2.5.1 Einführung des MF RC500-Chips

Das RFID-Modul verwendet Philips' MF RC500, einer der derzeit am weitesten verbreiteten RFID-Chips. MF RC500 unterstützt das ISO14443A-Protokoll und die MIFARE-Dual-Interface-Karte. Es verfügt über einen hochintegrierten Analogschaltkreis zur Demodulation und Decodierung der Antwortkarte sowie über einen 64-Byte-Transceiver-FIFO-Puffer und einen nichtflüchtigen Schlüsselspeicher. Darüber hinaus gibt es einen dedizierten Interrupt-Pin, der 6 Interrupt-Quellen unterstützt und Interrupt-Signale an die MCU senden kann.

2.5.2 MF RC500 Hardware-Schnittstellenanschluss

Wie in Abbildung 6 dargestellt, greift die MCU als externes RAM auf die Register im MF RC500 zu. Der INT-Pin bleibt schwebend und die Interrupt-Funktion wird nicht verwendet.

3 Softwaresystemdesign

Im Initialisierungsprogramm des Mikrocontrollers wird der externe Interrupt des Subsystems A auf einen Low-Level-Trigger eingestellt. Die Interrupt-Signalquelle des Subsystems A wird von nRF24L01 bereitgestellt. Wenn nRF24L01 die Daten empfängt, generiert es ein Interrupt-Signal, um die MCU zum Lesen der Daten zu benachrichtigen. Subsystem B verwendet keine Interrupt-Funktionalität.

Im Initialisierungsprogramm nRF24L01 ist Subsystem B im Sendemodus konfiguriert und verwendet eine 16-Bit-CRC-Prüfung. Um die automatische Antwortfunktion zu nutzen, ist Datenkanal 0 auf den Empfang des Antwortsignals eingestellt und die Empfangsadresse von Datenkanal 0 muss mit der Adresse des Absenders übereinstimmen, um sicherzustellen, dass das Antwortsignal korrekt empfangen werden kann. Ein System kann aus bis zu sechs Subsystemen A bestehen, und die Sendeadressen dieser sechs Subsysteme können nicht wiederholt werden. Subsystem A ist im Empfangsmodus konfiguriert, verwendet eine 16-Bit-CRC-Prüfung und kann bis zu 6 Datenkanäle empfangen. Diese 6 Empfangsadressen entsprechen den Sendeadressen in jedem Subsystem B. Beim ersten Test von SJA1000 wird der PliCAN-Modus verwendet, die Baudrate beträgt 125 Kbit/s und Empfangs- und Sendeinterrupts sind verboten; Die Konfiguration des Ausgangssteuerregisters ist wie folgt: Normalmodus, TX-Pulldown und Ausgangssteuerpolarität. Darüber hinaus müssen das Akzeptanzcoderegister und das Akzeptanzmaskenregister korrekt konfiguriert sein. Diese Konfiguration wird zur Implementierung der CAN-Bus-Arbitrierungsfunktion verwendet.

Bei der Initialisierung des MF RC500 sind seine Haupteinstellungen wie folgt: Die Ausgänge von TX1 und TX2 sind als 13 konfiguriert.56-MHz-Energieträger; die Eingangsquelle des Decoders ist der interne Demodulator; Verwenden Sie die Q-Uhr als Empfängeruhr. Sende- und Empfangsinterrupts deaktivieren; set RxThreshold Der Registerwert ist 0xFF, der BitPhase-Registerwert ist 0xAD usw.

Die Reset-Request-Funktion sucht nach der Mifare1-Karte im Wirkungsbereich der Antenne. Wenn eine Karte vorhanden ist, wird eine Kommunikationsverbindung aufgebaut und die Kartentypnummer TAGTYPE auf der Karte gelesen. Die Antikollisionsfunktion ermöglicht es dem MF RC500, eine von mehreren Mifare 1-Karten auszuwählen. offen. Die Kartenauswahlfunktion kann mit Karten mit bekannten Seriennummern kommunizieren. Die Authentifizierungsfunktion gleicht das Passwort auf der Mifare 1-Karte mit dem Schlüssel im EEPROM des MF RC500 ab.

Erst wenn die Übereinstimmung korrekt ist, können die Lese- und Schreibvorgänge ausgeführt werden. Senden Sie einen Shutdown-Befehl, um die Mifare 1-Karte in den HALT-MODUS zu versetzen.

Über die CAN-Funktion werden relevante Daten an den PC gesendet. Dieses Design verwendet den Abfragemodus, um sicherzustellen, dass die Daten gesendet wurden. Ob die Datenübertragung abgeschlossen ist, können Sie durch Abfrage der Flagbits TBS, TCS und TS im Statusregister bestätigen. Um sicherzustellen, dass die Daten gesendet wurden, fragen Sie in der drahtlosen Funktion einfach TX_DS im Statusregister ab.

4 Systemtests

Zunächst wurde das RFID-Modul getestet. Platzieren Sie die MIFARE 1-Karte im Wirkungsbereich der Antenne, führen Sie Lese- und Schreibvorgänge auf der Karte durch und zeigen Sie die relevanten Daten auf dem LCD-Bildschirm an. Nach diesem Test liest und schreibt das RFID-Modul normal. Anschließend wird die Echtzeitleistung des Übertragungsnetzes des Systems getestet. In diesem Artikel wird die drahtlose Übertragung von Temperaturdaten zum Testen verwendet. Das Gerät zur Temperaturmessung ist ein Eindraht-Temperatursensor DS18B20. Schließen Sie den Temperatursensor an Teilsystem B an. Der Temperatursensor misst jede Sekunde die Innentemperatur. Der Mikrocontroller liest die Temperaturdaten und sendet sie über das drahtlose Netzwerk an Subsystem A. Subsystem A empfängt die Daten und sendet sie über den CAN-Bus. zum PC.

Auf der PC-Seite wird Visual Basic 6.0 zum Schreiben des Host-Computerprogramms verwendet. Der Host-Computer zeichnet die Temperaturdaten in eine Kurve und schreibt sie in Text. Die Temperaturkurve ist in Abbildung 8 dargestellt, wobei die Genauigkeit der Temperaturwerte 1 Grad Celsius beträgt. Durch vergleichende Beobachtung des Temperaturkurvendiagramms und der Textdaten wurde festgestellt, dass es keine Abnormalität in den Temperaturdaten und keinen Datenverlust gab.

  5. Schlussfolgerung

In diesem Artikel wird der CAN-Bus als Ersatz für den RS-485-Bus verwendet und dessen Mängel behoben. Darüber hinaus wird die drahtlose Technologie genutzt, um die Multipunkt-Kommunikationsfunktion des nRF24L01 voll auszunutzen und gleichzeitig viel Verkabelungsaufwand zu reduzieren. Nachdem das System erstellt wurde, testete der Autor das System lange Zeit. Die Testergebnisse zeigen, dass die Datenübertragung stabil, zuverlässig und eine hohe Echtzeitleistung aufweist. Es überwindet die Mängel des herkömmlichen RFID-Mautsystems, das auf dem RS485-Busdesign basiert, und bietet einen hohen Nutzwert.